Immagine SEM della nanorete di Ni (a sinistra); Immagine EDX-STEM di un frammento di nanomesh di Ni rivestito con 3 nm MnO2 (a destra). La mappatura dei colori corrisponde a Ni (giallo) e Mn (ciano). Credito:S. Zankowski, O. Richard
Gli ossidi di manganese hanno numerose applicazioni nelle batterie, supercondensatori, microelettronica e (elettro)catalisi, che possono trarre grandi benefici da MnO . depositato in modo conforme 2 su strutture ad alto allungamento, per esempio. Collettori di corrente a batteria 3-D, o supporti catalitici ad alta superficie.
Pubblicato di recente su ACS Chimica dei materiali , ricercatori di IMEC, KU Leuven e la Ghent University hanno sviluppato un metodo economico e veloce per depositare film sottili conformi di MnO 2 su substrati nanostrutturati con precisione quasi monostrato, competere con la deposizione di strati atomici (ALD) allo stato dell'arte.
Il nuovo metodo è stato ispirato dalla dimostrazione del liceo di prima elementare di una reazione redox, dove il permanganato di potassio acquoso (KMnO 4 ) è ridotto da un alcol (ad esempio etanolo) a pH neutro, formando MnO . solido 2 nel grosso della soluzione. Nel nuovo metodo, la quantità di MnO . formato 2 è stato limitato a un monostrato utilizzando alcol propargilico acquoso, un alcol insaturo che può fortemente chemisorbire su vari substrati, consentendo la riduzione della sua quantità ad un monostrato per la successiva reazione con KMnO 4 . Così, il metodo consiste in cicli ripetuti di adsorbimento limitato in superficie di alcol propargilico e sua successiva ossidazione con permanganato di potassio acquoso, formando una quantità controllabile di MnO 2 sul substrato in ogni ciclo.
Ciclo RLD:adsorbimento monostrato di alcol propargilico su una superficie (a sinistra), riduzione di MnO4- da parte dell'alcool propargilico adsorbito e formazione di MnO2 sottile (a destra). Il processo richiede solo due bicchieri e una fonte di acqua corrente per il lavaggio tra i sottocicli. Credito:S. Zankowski, B. Kruszka
Poiché la quantità di ossido di manganese formato in ciascun ciclo è limitata dalla quantità del monostrato dell'alcol adsorbito, la crescita presenta le caratteristiche autolimitanti della deposizione di strati atomici (ALD). Questa tecnica all'avanguardia si basa su una reazione ciclica di precursori gassosi su una superficie, e tipicamente garantisce la massima conformità del rivestimento e il controllo dello spessore del sub-monostrato, a scapito di un tasso di deposito molto basso, necessità di temperature elevate, precursori costosi e complessi, reattori a tenuta di gas isolati termicamente.
Contrariamente al tipico ALD, la deposizione del nuovo strato redox (RLD) viene eseguita in aria, a temperatura ambiente, usando prodotti chimici comuni ed economici e semplice vetreria, letteralmente, due bicchieri. Ciò riduce notevolmente i costi e la complessità del deposito, rendendolo accessibile praticamente a qualsiasi laboratorio o impianto di produzione. Il metodo mostra anche una crescita per ciclo almeno 4 volte superiore ed è almeno 1,5 volte più veloce del noto processo ALD di MnO 2 grazie all'elevata densità di adsorbimento delle molecole di alcol e MnO 4 - ioni sui substrati. Il metodo RLD è stato utilizzato con successo anche per rivestire complessi nanofili di Ni interconnessi in 3D con sottili MnO 2 , che non poteva essere eseguito con il tipico ALD termico.
Questo lavoro è la prima dimostrazione di una crescita simile all'ALD di un ossido metallico eseguita interamente in fase acquosa e all'aria aperta. Questo è un importante elemento di differenziazione dai pochi processi ALD in fase liquida precedentemente riportati di alcuni ossidi metallici (ad esempio MnO X , TiO 2 o MgO), che tutti utilizzavano precursori sensibili all'acqua disciolti in solventi organici e, così, condizioni anidre richieste e ambiente di gas neutro di un vano portaoggetti o una linea Schlenk. Sebbene attualmente limitato a substrati costituiti da metalli di transizione (es. Ni, Ti, Pt) e loro ossidi (es. TiO 2 ), la gamma di substrati compatibili potrebbe essere aumentata in futuro ad es. Al 2 oh 3 o SiO 2 , scegliendo appropriati adsorbati organici. Anche, il metodo RLD potrebbe essere testato per la deposizione di ossidi diversi da MnO 2 , utilizzando diversi complessi metallici che formano prodotti insolubili durante la reazione redox.
Globale, grazie alla sua semplicità, la deposizione conforme di MnO 2 può essere facilmente potenziato e quindi sfruttato per le sue numerose applicazioni (elettrochimiche).
